Проблема аномального переноса в токамаке и связанная с ней проблема саморегуляции многомасштабной турбулентности является одной из немногих оставшихся не решёнными фундаментальных проблем физики высокотемпературной плазмы. Кроме общефизических причин актуальности решения этой проблемы следует отметить и её большое значение для решения задачи УТС с магнитным удержанием. Эффект улучшения удержания в плазме токамака с ростом атомной массы изотопа водорода был обнаружен на токамаках около 40 лет назад, но не смотря на длительную историю исследований и важность этого эффекта для успешного осуществления УТС на исследовательском токамаке-реакторе ИТЭР, его физические причины и механизмы до сих пор не известны. Более того, экспериментально выясненная тенденция увеличения энергетического времени при переходе от водорода к дейтерию, а затем к смеси дейтерия и трития противоречит простым оценкам, следующим из классической, неоклассической и турбулентной теории переноса, предсказывающим ухудшение удержания из-за увеличения при этом характерного масштаба диффузионного скачка. Увеличение коэффициента аномальной диффузии в последнем случае связано с ростом типичного размера конвективной ячейки дрейфовой турбулентности.
В последние годы на токамаках TEXTOR, ФТ-2, ASDEX-Upgrade, JET, ISTOK было достигнуто существенное продвижение в экспериментальном исследовании изотопного эффекта в турбулентном переносе. Было показано, что дейтериевые разряды, обладают более высоким уровнем дальних корреляций, в частности, более высоким уровнем развития и контрастностью геодезической акустической моды (ГАМ) и большими корреляционными длинами турбулентности, чем водородные. В экспериментах последних лет на подобных водородном и дейтериевом слаботочных омических разрядах токамака ФТ-2 было показано, что ГАМ приводит к сильной модуляции турбулентности и аномальных потоков, более регулярной в случае дейтерия. При этом имеет место изотопный эффект в переносе частиц и энергии в ионном канале. Перенос же энергии в электронном канале в этих разрядах оказался одинаковым. Наблюдения, сделанные на токамаке ФТ-2, были подтверждены результатами специально проведённого для него глобального гирокинетического моделирования турбулентной динамики плазмы, что явилось первой демонстрацией изотопного эффекта в глобальном гирокинетическом моделировании аномального транспорта. Полученные на ФТ-2 результаты, указывающие на возможную роль самоорганизации турбулентности посредством зональных потоков в механизме изотопного эффекта, были с интересом встречены научной общественностью, что проявилось в предоставлении приглашённых докладов на конференции Европейского физического общества по физике плазмы в 2015 году, конференции по Теории термоядерной плазмы в 2016 г. и пленарного доклада на международной Звенигородской конференции по физике плазмы и УТС в 2016 г.
Настоящим проектом предлагается развить пионерские исследования последних лет, продолжить сравнительное изучение удержания частиц, энергии и характеристик многомасштабной турбулентности в подобных водородных и дейтериевых разрядах токамака ФТ-2 для прояснения роли самоорганизации турбулентности посредством генерации зональных потоков в механизме изотопного эффекта. Эксперименты предполагается провести как в стационарных омических разрядах, отличающихся значениями тока, магнитного поля и плотности, так и в динамических разрядах, в которых осуществляется подброс тока или нижнегибридный нагрев, приводящие к инициированию режима с улучшенным удержанием энергии. В экспериментах предполагается использовать как стандартные токамачные диагностики, позволяющие определить эволюцию профиля аномального потока энергии в разрядах с помощью расчёта по коду АСТРА, так и уникальный комплекс диагностик многомасштабной плазменной турбулентности, созданный на токамаке ФТ-2. Экспериментальные исследования при выполнении проекта будут дополнены глобальным моделированием разрядов токамака ФТ-2 в различных рабочих газах с помощью гиро-кинетического кода Elmfire (S. Leerink, V.V. Bulanin, A.D. Gurchenko et al. 2012 Phys.Rev.Lett. 109, 165001), что позволит прояснить механизмы изотопного эффекта.
Ожидаемые результаты
В результате выполнения проекта будет исследовано взаимодействие компонент турбулентности с различным пространственным и временным масштабом (дрейфовая турбулентность, геодезические акустические моды, зональные потоки) и выяснена на «микроскопическом» уровне его роль в аномальном переносе. В частности будет изучена роль самоорганизации турбулентности в зависимости времени удержания энергии и частиц в плазме токамака от её изотопного состава (водород, дейтерий). Выяснение физического механизма и обоснование изотопного эффекта в удержании в токамаке представляется важным не только с общефизической точки зрения, но и в чисто практическом плане, поскольку плазма токамака-реактора будет состоять из смеси тяжёлых изотопов водорода и существование изотопного эффекта может существенно облегчить реализацию самоподдерживающейся термоядерной реакции.
Использование при осуществлении проекта оригинальных микроволновых диагностик, обладающих уникальным пространственным разрешением и возможность сопоставления экспериментальных данных с результатами глобального гирокинетического моделирования транспортных процессов в токамаке ФТ-2 позволяют быть уверенным в получении результатов, находящихся на мировом уровне. Результаты, полученные в ходе выполнения проекта, будут опубликованы в статьях в ведущих международных журналах (Plasma Physics Controlled Fusion (2.404), Nuclear Fusion (4.040), Физика Плазмы (Plasma Physics Reports) (1.010), Physical Review Letters (7.645)) и представлены на Европейских конференциях по физике плазмы и на конференции МАГАТЭ по термоядерной энергии.
